Применение адаптивного регулятора скорости вращения гидрогенератора с учетом технологического состояния турбины Каплана

Цель – оценка влияния протечек масла в турбине на основные параметры энергосистемы. Объектом исследования послужили реактивные гидравлические турбины с поворотно-лопастными рабочими колесами (турбины Каплана), установленные на гидроэлектростанциях Майнская, Нижне-Бурейская, Вилюйская. Основные теоретические соотношения и выводы получены методами математического моделирования и интегрального исчисления с использованием программного комплекса MATLAB. В данной работе предложен способ контроля над протечками в корпусе поворотно-лопастного рабочего колеса, внедрение которого сглаживает колебания изменений различных параметров (амплитуда, скорость вращения, фазовый угол, активная мощность, ток генератора) энергосистемы в случае протечек масла. Данный контроль предлагается сделать с помощью датчика, установленного в рабочем колесе, оптоволоконного кабеля и оптико-электрического преобразователя, расположенных от лопастей рабочего колеса вверх по валу и выведенных в маслоприемник соответствующего гидроагрегата. Проведенный анализ составленной математической модели (построены амплитудно-частотные и амплитудно-фазовые характеристики) относительно основных параметров вырабатываемой гидроагрегатом электрической энергии показал, что предложенный способ контроля протечек масла способствует повышению устойчивости работы гидроагрегата. При разработке модели были учтены следующие параметры гидроагрегата: угол поворота лопастей рабочего колеса и угол открытия направляющего аппарата гидротурбины. Разработанная блок-схема позволяет провести сравнение изменения параметров без контроля над протечками масла и с учетом автоматизированной системы контроля, предложенной авторами. Показано, что с помощью логарифмической амплитудно-фазовой характеристики, полученной в результате применения математической модели, можно проследить изменение и сглаживание амплитуды в нормальных условиях и с учетом наличия расхода масла в корпусе гидротурбины.

1. Markin V. N., Tomilin V. I., Il’in A. Yu. Operation of units with adjustable-blade turbines converted to a propeller regime // Hydrotechnical Construction. 1988. Vol. 22. Iss. 7. Р. 430–436. https://doi.org/10.1007/BF01432355.

2. Karabegovic A., Hinteregger M., Christoph J., Mohl W., Gföhler M. Closed-loop helium circula-tion system for actuation of a continuously operating heart catheter pump // International Journal of Artificial Organs. 2017. Vol. 40. Iss. 6. Р. 272–281. https://doi.org/10.5301/ijao.5000593.

3. Mohamad H., Mokhlis H., Bakar А. Н. А., Ping Hew Wooi. A review on islanding operation and control for distribution network connected with small hydro power plant // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2011. Vol. 15. Iss. 8. Р. 3952–3962. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.06.010.

4. Mover W. G. P., Supply E. Hydraulic turbine and turbine control models for system dynamic studies // IEEE Transactions on Power Systems. 1992. Vol. 7. Iss. 1. Р. 167–179. https://doi.org/10.1109/59.141700.

5. Ustalov V. A., Ustalova T. P. Technical developments to prevent fouling of generator parts with oil // Hydrotechnical Construction. 1995. Vol. 29. Iss. 8. Р. 438–442. https://doi.org/10.1007/BF02446368.

6. Xu Haoming, Wang Deyi, Liu Jiajun. Process control optimization for hydroelectric power based on neural network algorithm // AMSE Journals-AMSE IIETA. 2017. Vol. 72. No. 2. Р. 155–166. https://doi.org/10.18280/ama_c.720204.

7. Андерсон П., Фуад А. Управление энергосистемами и устойчивость / пер. с англ., под ред. Я. Н. Лугинского. М.: Изд-во «Энергия», 1980. 569 с.

8. Ding Tao, Lin Yanling, Bie Zhaohong, Chen Chen. A resilient microgrid formation strategy for load restoration considering master-slave distributed generators and topology reconfiguration // Applied Energy. 2017. Vol. 199. Р. 205–216. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.05.012.

9. Heong Oon Kheng, Tan Chia Kwang, Bakar A. H. B. A., Che Hangseng. Establishment of fault current characteristics for solar photovoltaic generator considering low voltage ride through and reactive current injection requirement // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. Vol. 92. Р. 478–488. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.05.001.

10. Ekonomou L., Vita V., Fotis G. P., Mladenov V. Distributed generation islanding effect on distribution networks and end user loads using the master-slave islanding method // Journal of Power and Energy Engineering. 2016. Vol. 4. Iss. 10. Р. 1–24. https://doi.org/10.4236/jpee.2016.410001.

11. Maina D. K., Sanjari M. J., Nair N.-K. C. Voltage and Frequency Response of Small Hydro Power Plant in Grid Connected and Islanded Mode // Australasian Universities Power Engineering Conference. https://doi.org/10.1109/AUPEC.2018.8757944.

12. Mohamad H., Laghari J. A., Bakar A. H. A., Salim N. A., Yasin Z. M. A New centralized controller for islanding operation of distribution network connected with rotating type DG // IEEE International Conference in Power Engineering Application. https://doi.org/10.1109/ICPEA51500.2021.9417754.

13. Shafique N., Raza S., Bibi S., Farhan M., Riaz M. A simplified passive islanding detection technique based on susceptible power indice with zero NDZ // Ain Shams Engineering Journal. 2021. Vol. 13. Iss. 4. Р. 101637. https://doi.org/10.1016/j.asej.2021.11.006.

14. Borkute R., Malwar N. Control for Grid Connected and Intentional Islanding of Distributed Power Generation // Trend in Scientific Research and Development. 2019. Vol. 3. Iss. 4. P. 333–336. https://doi.org/10.31142/ijtsrd23679.

15. Wei Liangliang, Nakamura T., Imai K. Development and optimization of low-speed and high-efficiency permanent magnet generator for micro hydro-electrical generation system // Renewable Energy. 2020. Vol. 147. Part 1. Р. 1653–1662. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.09.049.

16. Paiva S., Ribeiro R. L. A., Alves D., Costa F. B. A wavelet-based hybrid islanding detection system applied for distributed generators interconnected to AC microgrids // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2020. Vol. 121. Iss. 4. Р. 106032. https://doi.org/10.1016/j.ijepes.2020.106032.

17. Kumar A., Riyaz S., Mahanty R. N. A Comprehensive review of conventional and computational islanding diagnosis of distributed generator in distribution network // Recent Advances in Power Systems / eds. O. H. Gupta, V. K. Sood. Vol. 699. Singapore: Springer, 2021. P. 509–520. https://doi.org/10.1007/978-981-15-7994-3_47.

18. Lima R. L., Vieira J. C. M. Performance indices for assessing the power quality of islanded operation of distributed generators // Journal of Control, Automation and Electrical Systems. 2021. Vol. 32. P. 747–755. https://doi.org/10.1007/s40313-021-00698-w.

19. Lim SungHoon, Choi Donghee, Lee Soo Hyoung, Kang Chongqing, Park Jung-Wook. Frequency stability enhancement of low-inertia large-scale power system based on grey wolf optimization // IEEE Power & Energy Society Section. 2022. Vol. 10. Iss. 1-1. Р. 11657–11668. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3146710.

20. Gracino R., Hansen V., Goia L., Campos А., Campos B. System Identification of a Small Hydropower Plant // 14th IEEE International Conference on Industry Applications. 2021. https://doi.org/10.1109/INDUSCON51756.2021.9529511.